ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 4, с. 516-520
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ДВИЖЕНИЯ УСТЬИЦ В ЛИСТЬЯХ КОНСКИХ БОБОВ
© 2004 г. Х.-М. Янг, С.-Я. Чжан*, Г.-С. Ван**
Главная государственная лаборатория агроэкологии пастбищных и засушливых районов, Университет Ланьчжоу, Ланьчжоу, Китай * Колледж ведения и использования пастбищ в сельском хозяйстве, Университет Ланьчжоу, Ланьчжоу, Китай ** Колледж науки о жизни, Университет провинции Чжэцзян, Ханчжоу, Китай
Поступила в редакцию 02.10.2002 г.
Изучали влияние тяжелых металлов на движения устьиц в листьях конских бобов (Vicia faba L.) и участие водных каналов в этих движениях. Срезали выросшие трехнедельные листья, сдирали с них полоски эпидермиса и погружали их в Mcs-KOH-буфер, содержащий соли тяжелых металлов. Измеряли ширину устьичных щелей под микроскопом. При субмиллимолярных концентрациях тяжелые металлы, такие как Hg2+, Pb2+, Zn2+ и La3+, частично подавляли открывание устьиц на свету и их закрывание в темноте. Напротив, К+, Na+ и Mg2+ не влияли на отверстость устьиц. Ртуть влияла на движения устьиц заметно сильнее, чем La3+. Комбинация Hg2+ и La3+ почти полностью подавляла движение устьиц. La3+, блокатор Ca2+-каналов, очевидно, препятствует изменениям концентрации Ca2+ в цитозоле замыкающих клеток устьиц и таким образом влияет на движения устьиц. Ингиби-рующее влияние Hg2+, вероятно, направлено на водные каналы. Zn2+ и Pb2+, по-видимому, действуют так же, как Hg2+. На основании полученных данных мы приходим к выводу, что субмиллимоляр-ные концентрации тяжелых металлов подавляют движения устьиц. Различные металлы могут по-разному влиять на потоки воды через мембраны замыкающих клеток, а именно, Hg2+, Pb2+ и Zn2+ блокируют водные каналы, а La3+ - ионные каналы. Водные каналы могут регулировать потоки воды при движении устьиц и играть главную роль в этом процессе.
Vicia faba - тяжелые металлы - водные каналы - ионные каналы - движение устьиц
Многочисленные исследования показали, что растения реагируют на внешние стимулы, такие как недостаток воды, высокие концентрации С02, высокую температуру и др., регулируя степень раскрытия устьиц [1-3]. Хорошо известно, что высокие концентрации тяжелых металлов смертельны или почти смертельны для растений [4-6]. О влиянии более низких (0.2-1.0 мМ) концентраций тяжелых металлов на движение устьиц известно немного. Также не изучен способ их действия. В плазматической и вакуолярной мембранах замыкающих клеток устьиц обнаружена сеть ионных каналов, которые могут влиять на движения устьиц [6-8]. Водные каналы, которые могут специфически и очень быстро усиливать транспорт воды, также найдены в этих мембранах в замыкающих клетках устьиц [9-11]. Пока неясно, участвуют ли водные каналы в движении устьиц и какова относительная роль водных и ионных каналов в этом процессе. И§С12 регулирует транспорт воды, бло-
Сокращение: МЭ - меркаптоэтанол.
Адрес для корреспонденции: Gen-Xuan Wang. College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China. Fax: +86-931-891-2893; e-mail: wanggx@zju.edu.cn
кируя водные каналы [12-17]. Можно предположить, что и другие тяжелые металлы могут также подавлять устьичные движения, влияя на транспорт воды в замыкающие клетки и блокируя водные каналы.
В данной работе мы обрабатывали содранные с листьев конских бобов полоски эпидермиса хлоридами разных тяжелых металлов, таких как Hg2+, Zn2+, Pb2+ и La3+ и наблюдали за отверстос-тью устьиц. Были выдвинуты следующие рабочие гипотезы: (1) тяжелые металлы заметно влияют на движения устьиц, т.е. на их открывание и закрывание, (2) водные каналы могут быть вовлечены в механизм влияния тяжелых металлов и (3) водные и ионные каналы могут играть заметную, но разную роль в движении устьиц.
МЕТОДИКА
Растительный материал и условия роста. Семена конских бобов (Vicia faba L., сорт Dabaican) сначала замачивали в воде в течение 48 ч, а потом высевали в горшки с почвой. Проростки поливали каждые 3 дня для поддержания влажности почвы на уровне 80 ± 5% от полевой влагоемкости. Растения выращивали при освещении 829 мкмоль/(м2 с) и
(а) (б)
Рис. 1. Ингибирование ^С12 открывания устьиц на свету (а) и их закрывания в темноте (б).
Стрелка - обращение ингибирования МЭ. 1 - контрольные полоски эпидермиса; 2 - 0.4 мМ ^С^; 3 - 0.8 мМ ^С^.
при средней температуре 23.7/11.2°C (день/ночь). Полностью выросшие листья в возрасте 3 нед. срезали, и с верхней поверхности сдирали эпидермис. Для сохранения активности устьиц, содранные полоски эпидермиса помещали в Мев-КОИ-буфер, содержащий 10 мМ Мее (pH 6.0), 50 мМ KCl и 0.1 мМ CaCl2.
Обработка солями. Полоски эпидермиса помещали в Мев-КОН-буфер в 10-миллилитровые сосудики и держали в темноте в течение 3 ч для того, чтобы устьица закрылись. Добавляли HgCl2 и оставляли сосудики в темноте еще на 1 ч. Потом их выставляли на свет и добавляли 5 мМ меркап-тоэтанола (МЭ) для снятия ингибирования. Измерения и подсчеты производили до и после добавления МЭ. В других опытах полоски эпидермиса в Мев-КОН-буфере сначала держали на свету для того, чтобы устьица открылись, а затем наблюдали за закрыванием устьиц под влиянием HgCl2 в темноте с последующим снятием ингибирования 5 мМ МЭ. Такие же процедуры проводили и с другими солями. Используемые концентрации были 0.8 мМ для ZnCl2, PbCl2, LaCl3, KCl, NaCl и MgCl2 и 0.5 мМ для LaCl3.
Измерения и статистика. Для каждой обработки использовали три образца. В каждом образце выбирали 6-8 случайных полей для измерения под микроскопом ширины устьичной щели. Подсчитывали в поле зрения общее количество устьиц и долю открытых устьиц и рассчитывали отношение числа открытых устьиц к их общему числу (R). После обработок устьица не были полностью открыты или закрыты. Если между замыкающими клетками, окружающими пору, не было ясно видно заметного расстояния, такие устьица считались закрытыми, остальные - открытыми.
Для каждого образца подсчитывали стандартное отклонение. Достоверность различий оцени-
вали, используя Duncan's Multiple Range ¿-тест при P < 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Доля открытых устьиц, величина Я, заметно изменялась под влиянием Н§С12 (рис. 1). Добавление Н§С12 сильно подавляло движение устьиц. В присутствии Н§С12 Я было ниже, чем в контроле на свету (рис. 1а) и выше, чем в контроле в темноте (рис. 16), т.е. Н§С12 подавляла открывание устьиц на свету и их закрывание в темноте. 0.8 мМ Н§С12 была более эффективна, чем 0.4 мМ Н§С12 (рис. 1), причем Я было ниже при 0.8 мМ на свету, чем при 0.4 мМ, но выше в темноте. 5 мМ МЭ мог значительно (от 50 до 90%, подробные данные не приведены) повышать Я на свету (рис. 1а) и снижать этот параметр до уровня контроля в темноте (рис. 1б). Итак, МЭ снимал вызванное Н§С12 подавление движения устьиц.
КС1, КаС1 и М§С12 не влияли на движения устьиц (рис. 2). Инкубация в растворах 2пС12, Н§С12 и РЬС12 подавляла открывание устьиц на свету (рис. 2а) и их закрывание в темноте (рис. 26). Небольшую разницу наблюдали между обработками М§2+ и К+ или Ка+, а также между Н§2+, РЬ2+ и 7п2+.
Размер щели устьиц зависел от концентраций Н§С12, РЬС12 или 7пС12 (рис. 3). С увеличением концентраций ингибирующее действие этих солей возрастало. Однако даже при увеличении концентрации тяжелых металлов до 1.0 мМ не все устьица были закрыты.
После обработки ЬаС13 доля открытых устьиц заметно отличалась от таковой в контроле (таблица). Со временем ингибирование движения устьиц, вызванное ЬаС13, ослабевало (таблица). Влияние ЬаС13 отличалось от действия Н§С12 (таблица). Совместное действие ЬаС13 и Н§С12, в отли-
§? 1.0 х
° 0.8
^
и л
¡3 0.6 х
I 0.4 а
н 0.2
о «
§ 0 к
[Ь
(а)
(б)
й
К Hg РЬ К Ма Mg К Hg РЬ К № Mg
Рис. 2. Влияние различных катионов на открывание устьиц на свету (а) и их закрывание в темноте (б). Все соли использовали в концентрации 0.8 мМ. К - контроль.
чие от действия каждой из солей, было близко к 0 или 1, т.е. движения устьиц были почти полностью подавлены.
ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние тяжелых металлов на движения устьиц
Опыты показали, что тяжелые металлы в суб-миллимолярных концентрациях сильно влияли на движение устьиц. Способы их действия могли различаться. ЬаС13, блокатор Са2+-каналов, очевидно, влиял на концентрацию Са2+ в цитозоле замыкающих клеток, косвенно влияя на активность других ионных каналов, таких как каналы для К+, С1- и иона малата и, в конце концов, на открывание и закрывание устьиц [18]. Подавление тока воды по водным каналам низкими концентрациями соединений ртути исследовали во многих работах [12-17]. Ртуть, хотя она может действовать на растения и другими путями, например, на метаболические пути или ферменты, влияет на движе-
«
° 1.0
х н
% 0.8 я и
Л
15 0.6
X
I 0-4
а
Й 0.2 о
И 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Концентрация соли, мМ
Рис. 3. Концентрационная зависимость подавления движения устьиц ^С12 (1), РЬС12 (2) и гпС12 (3).
ние устьиц, главным образом, ухудшая проницаемость водных каналов, что вытекает из заметной разности между влиянием на движение устьиц ^С12 и ЬаС13. Обращение ингибирования с помощью МЭ подтверждает этот вывод. Кроме того, поскольку инкубация была не слишком долгой, ^С12 могла только слегка влиять на другие каналы или ферменты. РЬ2+ и 7п2+ также подавляли движения устьиц (рис. 2), и ингибирование возрастало с увеличением их концентраций (рис. 3). Ширина устьичной щели после инкубации с РЬ2+ и 7п2+ была близка к значению после инкубации с (рис. 2). РЬ2+, 7п2+ и сходны по радиусу атомов и валентности и, очевидно, используют один и тот же механизм для влияния на водные каналы. В целом, можно предположить, что тяжелые металлы влияют на движения устьиц, по крайней мере, двумя разными путями, а именно, меняя проницаемость водных или ионных каналов.
Мы использовали немного более высокие концентрации тяжелых металлов, чем другие исследователи [14, 16] в связи с особенностями строения эпидермиса и клеточных стенок замыкающих клеток устьиц в листьях конских бобов.
Блокирование HgCl2 водных каналов в мембранах замыкающих клеток устьиц
Было высказано предположение, что аквапо-рины в мембранах замыкающих
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.